西門子傳動及網絡系統升級優化

朱衛紅

摘 要：河鋼集團宣鋼公司型材車間該項目來源于河鋼集團宣鋼公司型材車間電氣設備在線運行10年，部分電氣設備老化，功率降低，故障頻繁發生，影響正常生產順利進行。經測試分析，發現型材生產線電氣系統存在大量設備隱患，主要問題出現在DP網絡系統、傳動裝置、接地系統。在生產運行過程中，不定期就會出現問題，隨機出現通訊故障和變頻器故障，造成系統停車。一旦出現該類故障，就會使軋機里堆鋼，對設備損害非常嚴重，而且處理起來時間較長，嚴重影響工廠的正常生產運行。針對此問題進行了細致的排查，通過對DP網絡的優化和變頻器升級改造從而處理了此故障，確保設備的穩定運行。

關鍵詞：PROFIBUS-DP 6SE70傳動裝置 PLC

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0162-03

宣鋼型材生產線工程是全連軋，建設規模為年產70萬噸合格角槽鋼礦用U型鋼及大規格圓鋼。宣鋼型材車間電氣設備在經過10年使用后，部分電氣故障率高，重復性故障發生頻繁，影響正常生產順利進行。

1 故障現象

型材線在生產過程中，由于設計、環境等諸多因素的影響，并隨著電氣設備的老化電氣事故不斷增多。主要問題在DP網絡系統、傳動裝置、接地系統，通過DP網絡測試軟件Profitrace測試，重新設置DP網絡，重新敷設對加屏蔽防護，6SE70逆變器技改后，使型材電氣設備故障率大幅降低，保證了設備的正常運行。

2 故障分析

根據故障現象分析原因如下。

2.1 PLC的DP網絡故障問題

由于網絡中斷，導致軋機區急停信號進入PLC，從而使全線軋機停車堆鋼，編碼器信號纜和PLC的總線電纜受到動力纜的干擾；由于前期設計不完善以及施工不嚴謹，使得編碼器信號纜和總線電纜在敷設時沒有嚴格按照DP電纜布置說明施工。總線電纜連接頭連接不好；由于前期施工時沒有使用DP線剝線的專用工具，而使用電工刀和鉗子等工具，可能在剝DP線時對銅芯造成傷害。總線電纜信號衰減，經過幾年的使用后，IM通訊模塊有可能出現功能減退等問題，嚴重影響生產。

2.2 6SE70逆變器故障處理問題

型材生產線主、輔交流傳動設備均采用西門子6SE70變頻系統，精整、收集傳動設備是以多臺逆變器共用整流裝置供電方式的交-直-交變頻方式。在實際使用中，由于負荷量大或現場因素極容易造成逆變器頻繁過載、過流，對設備損害非常嚴重，容易造成逆變器內部IGBT組件擊穿，從而減少裝置的使用壽命。在更換過程中，由于安全起見，需整體停電（將整流裝置電源拉閘），然后待放電結束后，才可斷開各個裝置的分送電刀熔開關。這樣，更換逆變器處理故障的時間長，同時，影響精整、收集整體設備的運行，嚴重影響生產的順利進行。

2.3 接地問題

型材主電室接地系統較差，未達到標準的接地要求，易對通訊信號的傳輸造成干擾，使系統通訊重故障。

3 故障解決辦法

根據以上故障原因分析結果，特提出以下解決辦法。

3.1 PLC的DP網絡故障問題的處理

①通過DP網絡測試軟件Profitrace測試軋線PLC就地遠程站路DP網絡，網路順序：CPU（2）→三號臺（9）→精軋遠程站右（4）→精軋遠程站左（3）→軋機液壓站（6）→粗軋遠程站（5），DP網絡電壓（CPU處測試），改波特率500 Kbps至187.5 Kbps，分別在CPU、精軋遠程站（3）（4）和粗軋遠程站（5），發現信號不正常，并依次甩掉各個遠程站，測試波形，發現信號依然不正常。

根據測試結果決定采取以下改造措施：①在精軋遠程站（3）后加中繼器；②更換粗軋遠程站（5）IM153模板；③更改網絡拓撲結構，網路順序由原來CPU（2）→三號臺（9）→精軋遠程站右（4）→精軋遠程站左（3）→軋機液壓站（6）→粗軋遠程站（5），改為CPU（2）→精軋遠程站右（4）→精軋遠程站左（3）→軋機液壓站（6）→粗軋遠程站（5），精軋遠程站左（3）→三號臺（9）。

③降低原來的DP通訊速率，由原來的500Kbps降低為現在的187.5Kbps，使其降低故障發生率。④延長網絡報文故障時間，由1ms改為1000ms，降低逆變裝置網絡重故障。⑤將PROFIBUS-DP連接頭改為光電隔離連接，進一步將電磁干擾對DP網絡的影響降低；使用了FastConnect（DP網頭專用工具）并在做好的DP頭上加錫，消除網絡接頭處接觸不良引起的信號問題。⑥更換部分干擾較為嚴重的編碼器信號纜和總線電纜，重新鋪設。⑦網絡路末端裝置上加裝端結PROFIBUS的電阻，使其起到屏蔽干擾的作用。

改造后網絡各站電壓基本恢復正常。改造前后對比圖如下。

3.2 6SE70逆變器故障處理的方法及應急措施

造成逆變器故障原因有以下情況電機故障、負荷線路故障、電機運行時重啟動、啟動時加速時間過短，針對以上原因我們采取如下應急措施：

（1）硬件方面：凡現場電機側未加裝保護空氣開關的均根據電機容量及逆變器容量，結合實際使用中負荷的分布情況，選擇合適容量的空開加裝。這樣，一方面多一級保護，另一方面，便于現場維護及時斷掉負荷電源，實現安全維護。一般情況選取電機額定電流的1.8倍作為安裝現場空氣開關的選取值。對于用于驅動多臺變頻電機的裝置，我們采取在逆變器輸出側增加電抗器容量，以補償對地容性電流，從而降低電機電壓，提高電機的運轉扭矩，對逆變器起到更好的保護作用。

（2）參數方面：針對經常報故障F011（過流）、F015（堵轉）、F006（直流母線過壓）、F008（直流母線欠壓）這一現象。對于啟動過程，我們采取調節參數P462（斜坡函數發生器加速時間），P463（斜坡函數發生器加速時間單位），將時間單位設為秒，范圍控制在10～30（根據容量大小選取），同時調用斜坡函數發生器帶圓弧運行方式，調節參數P468（斜坡函數發生器帶圓弧運行方式）、P469（斜坡函數發生器初始圓弧時間）、P470（斜坡函數發生器終止圓弧時間），從而減小啟動電流對逆變器的沖擊。另外，考慮到工藝過程需急停設備，為防止制動電流對逆變器的沖擊，調整參數P464（斜坡函數發生器減速時間）、P465（斜坡函數發生器減速時間單位）、P466（快停的減速時間從100%到靜止），從而達到對電機及逆變器的保護。

（3）對于使用矢量控制+測速編碼器控制方式的逆變器，如遇到編碼器故障或者急需判斷是否是編碼器故障的情況，將P100由4改為3（無測速編碼器矢量控制）或0（v/f控制），這樣，如果為編碼器故障，不僅能夠迅速恢復生產，同時能偶迅速判斷故障原因。

（4）針對逆變器內部故障導致逆變器無法正常工作，我們采取以下預案。由于型材生產的特殊性（軋制槽、角、礦-U材時，圓鋼設備暫停使用；反之亦然）。一旦型材收集某一設備（假設為A設備）出現逆變器壞故障，立刻將同等容量或大于A設備的其他收集的某一設備（假設為B設備）替代A，工作時，先拆除逆變器A、B各自所帶的負荷線，然后將A的負荷線接至B的逆變器輸出上；同時，在PLC程序屏蔽B的操作輸入點，將A的操作輸入點加入，實現A設備的正常操作和穩定運行（反之亦然）。此方法在實際運用中，已得到大家認可。不但提高了維護質量，加快了維護效率，同時，提高了維護技能；而且大大縮短了處理故障的時間，保障了生產的順利進行。

通過以上應急預案措施，使型材車間逆變器突發損壞故障嚴重影響生產節奏的問題得到了很好的解決。一方面在解決傳動裝置損壞造成停產局面的情況下如何快速解決問題，恢復生產找到了應急方法；另一方面提高了設備的重復利用率，我們通過專業技術論證和超強的技能敢想、會干、勇于創新，開創了型材車間在線逆變器設備突發損壞的情況下，如何應急維護，而且兩者之間相互替代、互不干擾的先河，為將來設備維護打開了新思路，提供了新方法；另一方面為生產的快速恢復，加快生產節奏，提高生產效益奠定了扎實的基礎。

3.3 接地系統改造

針對主電室現場勘查情況，特制定以下整改方案：在主電室接地主線引入處加裝等電位連接母匯流排，為使接地性能連接可靠，焊接一段銅條與母匯流排螺栓壓接，做好標示。接地連線采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜，采用鍍鋅或銅螺栓連接，接地匯流排應使用銅材，并由絕緣支架固定。接地線的截面積應符規定，接地連線大于2mm，接地分干線大于6mm，接地干線大于20mm，接地總干線大于30mm。接地總干線與接地體之間應用焊接。埋地的接地干線用有效截面積相同的熱鍍鋅扁鋼或圓鋼進行焊接。接頭采用搭接，扁鋼搭接長度為寬度的2倍，園鋼為直徑的6倍，接觸良好，連接應牢固，焊接處應做防腐處理。

4 故障分析總結

這里遇到故障都是由于設計、制造等方面存在不合理的地方和現場環境惡劣造成的，因此，要注意以下幾點： （1）通過DP網絡測試軟件Profitrace測試DP網絡，有針對性的處理問題；（2）采取在逆變器輸出側增加電抗器容量，以補償對地容性電流，從而降低電機電壓，提高電機的運轉扭矩；合理的功能塊組態及實際運用參數的調整使設備滿足生產工藝的要求；閑置與在線設備的互相替代，為解決逆變器突發損壞提供了新思路、新方法；（3）利用型材生產工藝特殊性，遇到逆變器損壞的情況，采用逆變器替代的方式，能夠迅速恢復生產

5 結語

綜上所述，通過對DP網絡等故障的處理，使得設備自改造升級投入運行以來，設備的故障率大幅度降低。生產更加穩定，設備的安全運行保護措施更加完善，徹底扭轉了之前設備故障率高的情況，從而達到了節約成本的目的，提升產品質量，為型材生產線的設備提供了有力保障，也使得我們的維護水平得到提升。

參考文獻

[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2] 潘曉寧.PROFIBUS-DP工控網的通訊原理[J].電氣傳動，1999（5）：25-28.